JP2010212779A - Sampling frequency converter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sampling frequency converter for synchronizing with the sampling frequency of only the output side and outputting a discrete signal after frequency conversion when the ratio of sampling frequency to be converted is not a simple integer ratio or the sampling frequency fluctuates. <P>SOLUTION: The sampling frequency converter includes: a first latch section 1-1 for capturing discrete signal data of a first sampling frequency according to clocks of the first sampling frequency and latching them; an oversampling synchronizing section 1-2 for capturing the discrete signal data outputted from the first latch circuit 1-1 according to clocks of a frequency of integer multiple of the second sampling frequency and outputting the captured data; a digital filter 1-3 for allowing a low band component of the output signal of the oversampling synchronizing section 1-2 to pass; and a decimation section 1-4 for decimating signal outputted from the digital filter 1-3 per clock of the second sampling frequency and outputting the decimated signal. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、サンプリング周波数変換装置に関する。本発明は、例えばCD(Compact Disc)等のデジタルオーディオ出力信号と伝送路で配信するオーディオ信号等との信号間のように、非同期の又はサンプリング周波数が異なるデジタル信号間で、サンプリング周波数を変換する装置(SRC:Sampling Rate Converter)に関する。   The present invention relates to a sampling frequency converter. The present invention converts a sampling frequency between digital signals that are asynchronous or have different sampling frequencies, such as a signal between a digital audio output signal such as a CD (Compact Disc) and an audio signal distributed on a transmission path. The present invention relates to a device (SRC: Sampling Rate Converter).

一例として民生用のCD(Compact Disc)のサンプリング周波数は44.1kHzであるが、業務用のオーディオ機器や伝送路上でのサンプリング周波数は32kHzや48kHzなどである。サンプリング周波数の相違によりデータ量も異なるものとなり、データ量を含めたサンプリング速度の変換が必要になる。このような要求を満たす回路や素子としてサンプリング周波数変換装置(SRC)が用いられる。   As an example, the sampling frequency of a consumer CD (Compact Disc) is 44.1 kHz, but the sampling frequency on a commercial audio device or transmission line is 32 kHz or 48 kHz. The amount of data varies depending on the sampling frequency, and conversion of the sampling rate including the amount of data is required. A sampling frequency converter (SRC) is used as a circuit or element that satisfies such requirements.

一般にサンプリング周波数が異なるデジタル信号同士を結合させる場合、サンプリング周波数の相違によりデータ量(情報量)自体が異なり、これはPLL(Phase-locked loop)回路のような位相同期回路を用いて一方の速度を他方の速度に合わせることで実現できるものではない。   In general, when digital signals with different sampling frequencies are combined, the amount of data (information amount) itself varies depending on the sampling frequency, and this is achieved by using a phase locked loop such as a PLL (Phase-locked loop) circuit. Cannot be realized by adjusting the speed to the other speed.

図7はサンプリング周波数変換装置(SRC)一般的な説明図である。デジタルオーディオ機器7−1からは、デジタルオーディオ信号とサンプリング周波数の信号が送出される。一般的な例として、サンプリング周波数Fsoは44.1kHzであり、デジタルオーディオ出力信号は、このサンプリング周波数に同期して出力される。   FIG. 7 is a general explanatory diagram of a sampling frequency converter (SRC). A digital audio signal and a sampling frequency signal are sent from the digital audio device 7-1. As a general example, the sampling frequency Fso is 44.1 kHz, and the digital audio output signal is output in synchronization with this sampling frequency.

デジタル伝送装置7−3は、伝送路にデジタルオーディオ信号を、伝送網のクロックに同期させて送出するもので、例えばITU−TのJ.41勧告に従う場合、サンプリング周波数Fstは32kHzである。サンプリング周波数変換装置(SRC)7−2は、デジタル伝送装置7−3から32kHzの同期信号を入力し、デジタルオーディオ信号を速度変換する。なお、この図ではサンプリング周波数変換装置(SRC)7−2を独立したブロックとして示しているが、実際はデジタル伝送装置7−3に内蔵される場合が多い。   The digital transmission apparatus 7-3 sends a digital audio signal to the transmission line in synchronization with the clock of the transmission network. When the 41 recommendation is followed, the sampling frequency Fst is 32 kHz. A sampling frequency converter (SRC) 7-2 receives a 32 kHz synchronization signal from the digital transmission device 7-3 and converts the speed of the digital audio signal. In this figure, the sampling frequency converter (SRC) 7-2 is shown as an independent block, but in reality, it is often built in the digital transmission device 7-3.

サンプリング周波数変換の最も簡単な手法としては、第1のサンプリング周波数の入力データを、デジタルアナログ変換により一度アナログ信号に変換し、該アナログ信号を、第2のサンプリング周波数でアナログデジタル変換して出力するという手法がある。   As the simplest method of sampling frequency conversion, the input data of the first sampling frequency is once converted into an analog signal by digital-analog conversion, and the analog signal is analog-digital converted at the second sampling frequency and output. There is a technique.

上述の手法によるサンプリング周波数変換装置(SRC)7−2の構成について諸術すると、該サンプリング周波数変換装置(SRC)7−2は、DAコンバータ7−4とADコンバータ7−5とを備える。   When various operations are performed on the configuration of the sampling frequency converter (SRC) 7-2 according to the above-described method, the sampling frequency converter (SRC) 7-2 includes a DA converter 7-4 and an AD converter 7-5.

そして、図7の(a)に示すFso=44.1kHzでサンプリングされたデジタルオーディオ信号を、DAコンバータ7−4により同図(b)に示すようにアナログ信号に変換する。このアナログ信号を、ADコンバータ7−5により同図(c)に示すように32kHzのサンプリング周波数でデジタル信号に変換する。同図(b)のアナログ信号波形に対し、同図(a)及び同図(c)は縦の直線が離散的なデジタル信号を現す。   Then, the digital audio signal sampled at Fso = 44.1 kHz shown in FIG. 7A is converted into an analog signal by the DA converter 7-4 as shown in FIG. 7B. This analog signal is converted into a digital signal by the AD converter 7-5 at a sampling frequency of 32 kHz as shown in FIG. In contrast to the analog signal waveform shown in FIG. 2B, the vertical straight lines in FIG. 1A and FIG. 1C represent discrete digital signals.

サンプリング信号の周波数の違いや揺らぎは、全てアナログ信号に変換することで吸収されてしまうと言ってよい。即ち、この手法は変換するサンプリング周波数が如何なる比であっても、また、サンプリング周波数の揺らぎに対しても対応することができる優れた手法といえる。しかし、問題はデジタルアナログ変換及びアナログデジタル変換を行うことによるSN比の劣化や、アナログ信号処理におけるノイズの増加である。   It can be said that all differences and fluctuations in the frequency of the sampling signal are absorbed by converting them into analog signals. In other words, this method can be said to be an excellent method that can cope with fluctuations in the sampling frequency regardless of the sampling frequency to be converted. However, the problem is degradation of the S / N ratio due to digital-analog conversion and analog-digital conversion, and an increase in noise in analog signal processing.

サンプリング周波数の変換の他の手法として、アナログ信号に変換することなくデジタル信号のまま処理する手法がある。この手法は、最小公倍数の高周波サンプリングデータに変換し、デジタルフィルタで処理することで情報量の変換を行うものである。   As another method of converting the sampling frequency, there is a method of processing a digital signal as it is without converting it into an analog signal. This method converts the amount of information by converting to high frequency sampling data of the least common multiple and processing with a digital filter.

サンプリング周波数の比がM:Nの整数比の場合の処理として、例えば下記の特許文献1に開示されている。特許文献1に開示のものは、入力信号と出力信号の二つのサンプリング周波数の最小公倍数のサンプリング周波数に変換するため、入力信号のサンプリングデータの間にゼロを挿入してインターポレーションを行う。   As processing when the sampling frequency ratio is an integer ratio of M: N, for example, it is disclosed in Patent Document 1 below. In the one disclosed in Patent Document 1, in order to convert the sampling frequency of the input signal and the output signal into the least common multiple sampling frequency, interpolation is performed by inserting zero between the sampling data of the input signal.

そして、デジタルフィルタを通して不要なスペクトルを全て削除した最小公倍数のサンプリング周波数のデータ列に変換する。そのデータ列から出力信号のサンプリング周波数でデータを間引く(デシメートする)ことで、入力情報の欠落無く、サンプリング周波数を変換する。   Then, the data is converted into a data string having a sampling frequency of the least common multiple obtained by deleting all unnecessary spectra through a digital filter. By sampling (decimating) data from the data string at the sampling frequency of the output signal, the sampling frequency is converted without any missing input information.

図8に上述のデジタル処理の手法によるサンプリング周波数の変換の例を示す。同図の(a)はサンプリング周波数Fsoが44.1kHzの入力信号を示す。この入力信号の各サンプル点の間に、S/P変換ゼロ挿入部8−1により、同図(b)に示すように44.1kHzと32kHzの最小公倍数である14.012MHzのゼロレベル信号を挿入する。   FIG. 8 shows an example of sampling frequency conversion by the digital processing method described above. FIG. 5A shows an input signal with a sampling frequency Fso of 44.1 kHz. Between each sample point of the input signal, the S / P conversion zero insertion unit 8-1 sends a zero level signal of 14.012 MHz which is the least common multiple of 44.1 kHz and 32 kHz as shown in FIG. insert.

この例では320倍のサンプル点にインターポレーション(ゼロ挿入)が行われるので、元の入力信号の間に319個のゼロレベル信号が挿入されることになる。その信号を44.1kHzの1/2以下の周波数、例えば20kHz以下を通過させる急峻なローパスフィルタ(LPF)8−2を通すことで、図の(c)に示すように、ゼロレベル信号が無くなり、アナログ信号のレベルに追従した14.012MHzのサンプル値が得られる。   In this example, since interpolation (zero insertion) is performed at 320 times the sample point, 319 zero level signals are inserted between the original input signals. By passing the signal through a steep low-pass filter (LPF) 8-2 that passes a frequency less than 1/2 of 44.1 kHz, for example, 20 kHz or less, the zero level signal disappears as shown in FIG. A sample value of 14.012 MHz following the level of the analog signal is obtained.

ローパスフィルタ(LPF)8−2を通す信号は、32kHzとの最小公倍数である14.012MHzの信号であるため、ローパスフィルタ(LPF)8−2から出力される信号は、1/32kHzの周期で発生するので、その信号をデシメーション部8−3により32kHzの周波数でデシメートすることにより取り出し、同図(d)に示すように32kHzのサンプリング周波数のサンプル値が出力される。   Since the signal passing through the low-pass filter (LPF) 8-2 is a signal of 14.012 MHz, which is the least common multiple of 32 kHz, the signal output from the low-pass filter (LPF) 8-2 has a period of 1/32 kHz. Therefore, the signal is taken out by decimating the signal at a frequency of 32 kHz by the decimation unit 8-3, and a sample value of a sampling frequency of 32 kHz is output as shown in FIG.

ここで注意すべき点は、図8の(c)の波形のレベルは、同図(b)の波形のレベルと同じ大きさで表しているが、実際には(b)に示す一本の信号レベルのエネルギーが319本のゼロと平滑されるため、(c)の波形のレベルは、単純計算で1/320に信号レベルが低下することになる。   The point to be noted here is that the level of the waveform in FIG. 8C is represented by the same level as the level of the waveform in FIG. Since the energy of the signal level is smoothed to 319 zeros, the level of the waveform in (c) is reduced to 1/320 by simple calculation.

1/320はdBで表すと−50.1dBである。信号レベルは1/2(即ち1bit減少)が−6.02dBであるので、50.3/6.02=8.3bitに相当する。従って、入力信号レベルのデジタルデータが24bitであるとすると、15bit相当まで信号レベルが減少することになる。その分は計算結果を増幅する必要がある。2進数のデジタルデータであれば、9bit分シフトすることに相当する。デジタルフィルタが倍精度の32bitであれば影響はあまりないが、16bitの場合には演算誤差が非常に大きくなり、実際には使用不可能である。   1/320 is −50.1 dB in dB. Since the signal level is ½ (that is, decreased by 1 bit) is −6.02 dB, this corresponds to 50.3 / 6.02 = 8.3 bits. Accordingly, if the digital data of the input signal level is 24 bits, the signal level is reduced to 15 bits. The calculation result needs to be amplified accordingly. In the case of binary digital data, this corresponds to shifting by 9 bits. If the digital filter is 32 bits of double precision, there is not much influence, but if it is 16 bits, the calculation error becomes very large and it cannot be used in practice.

サンプリング周波数が異なるもの同士をデジタル処理で結合する一般的な理論は、下記の非特許文献1により述べられている。また、上述のサンプリング周波数の比がM:Nの整数比の場合の処理としては、下記の特許文献1に開示されている。この方法は理論的に正しいが次のような欠点がある。   The general theory of combining digital samplings with different sampling frequencies is described in Non-Patent Document 1 below. The processing in the case where the sampling frequency ratio is an integer ratio of M: N is disclosed in Patent Document 1 below. This method is theoretically correct but has the following drawbacks.

第一の欠点は、変換するサンプリング周波数が32kHと48kHzといったように、簡単な整数比(2:3)であれば、最小公倍数のサンプリング周波数は96kHzと低い周波数で済む。しかし、変換するサンプリング周波数が44.1kHzと32kHzといったような場合、比は441:320となり、最小公倍数は14.012MHzと非常に大きな値となる。   The first drawback is that if the sampling frequency to be converted is a simple integer ratio (2: 3) such as 32 kHz and 48 kHz, the sampling frequency of the least common multiple may be as low as 96 kHz. However, when the sampling frequency to be converted is 44.1 kHz and 32 kHz, the ratio is 441: 320, and the least common multiple is 14.012 MHz, which is a very large value.

更なる問題は44.1kHzなどのサンプリングタイミング自体の揺らぎが大きい場合に、サンプリング周波数が変動し、最小公倍数は常に変動することになる。この問題に対処するために、下記の特許文献2に記載のものは、厳密な最小公倍数を用いることなく、整数比は簡単なもので近似し、データをリニアに補間するという手法を用いている。   A further problem is that when the fluctuation of the sampling timing itself such as 44.1 kHz is large, the sampling frequency varies, and the least common multiple always varies. In order to cope with this problem, the one described in Patent Document 2 below uses a method of approximating an integer ratio with a simple one without using a strict least common multiple and linearly interpolating data. .

下記の特許文献3は、最小公倍数が非常に大きくなることを避け、周波数領域に変換(デジタルフーリエ変換と逆フーリエ変換)する手法を提案しているが、これは処理が複雑になる。下記の特許文献4ではB−スプライスラインと呼ばれる数学的曲線による補間により、時間変動への対策を行っている。   The following Patent Document 3 proposes a technique for avoiding the least common multiple from becoming very large and transforming into the frequency domain (digital Fourier transform and inverse Fourier transform), but this complicates the processing. In Patent Document 4 below, countermeasures against time variation are taken by interpolation using a mathematical curve called a B-splice line.

下記の特許文献5は、ΣΔ変換のADコンバータ内におけるサンプリング周波数の違いを処理するもので、周波数の比は異なるものの、基本的に周波数の揺らぎは無い。特許文献6(デジタル/アナログ変換システム及び方法)は、ΣΔ型のAD・DAコンバータにおいて、PLLにより異なる周波数に制御されるブロックを結合する発明である。   The following Patent Document 5 processes a difference in sampling frequency in an AD converter for ΣΔ conversion, and there is basically no frequency fluctuation although the frequency ratio is different. Patent Document 6 (digital / analog conversion system and method) is an invention that combines blocks controlled to different frequencies by a PLL in a ΣΔ AD / DA converter.

以上をまとめると、サンプリング周波数の差異を吸収するサンプリング周波数変換装置(SRC)としては、異なるサンプリング周波数の最小公倍数の周波数に変換すると非常に高い周波数となり、その信号を通すローパスフィルタ(LPF)を構成することは現実的でない。その代替手段として補間すべき信号を特殊な計算により求める手法や、周波数領域に変換する回路などが提案されている。   To summarize the above, a sampling frequency converter (SRC) that absorbs the difference in sampling frequency becomes a very high frequency when converted to a frequency of the least common multiple of different sampling frequencies, and constitutes a low-pass filter (LPF) that passes the signal It is not realistic to do. As an alternative, a technique for obtaining a signal to be interpolated by special calculation, a circuit for converting the signal to the frequency domain, and the like have been proposed.

次に微小なサンプリング周波数のずれによる影響について、図9を参照して説明する。図9の(a)は44.1kHzのサンプリング周波数にずれがなく理想的な場合を示し、(b)は44.1kHzのサンプリング周波数が100ppm増加した場合を示し、(c)は44.1kHzのサンプリング周波数が100ppm減少した場合を示している。ここで1ppmは1,000,000個に1個の割合でパルスが増加又は減少したことを意味する。   Next, the influence of a small sampling frequency shift will be described with reference to FIG. 9A shows an ideal case where there is no deviation in the sampling frequency of 44.1 kHz, FIG. 9B shows a case where the sampling frequency of 44.1 kHz is increased by 100 ppm, and FIG. 9C shows that 44.1 kHz. A case where the sampling frequency is reduced by 100 ppm is shown. Here, 1 ppm means that the pulse increased or decreased at a rate of 1 in 1,000,000.

図9の(a)に示すように、44.1kHzのサンプリング周波数にずれがない(0ppm)信号は、22.6757μsecの周期の離散的な信号として出力される。なお、該離散的な信号の10,000個の周期は、約226msecとなる。   As shown in (a) of FIG. 9, a signal having no deviation in the sampling frequency of 44.1 kHz (0 ppm) is output as a discrete signal having a period of 22.6757 μsec. The 10,000 cycles of the discrete signal are about 226 msec.

44.1kHzのサンプリング周波数が100ppm(10,000個に1個)の割合で高い周波数にずれた場合、図9(b)に示すように、離散信号の周期は22.6735μsecとなり、(a)の理想状態の場合に対して100ppm、つまり1/10000だけ時間が短くなる。その短い周期で連続して10,000個の離散信号を送出すると、理想状態に対して、(b)に示すように226msec後に離散信号のデータが一つ不足する。   When the sampling frequency of 44.1 kHz is shifted to a high frequency at a rate of 100 ppm (1 in 10,000), the period of the discrete signal is 22.6735 μsec as shown in FIG. The time is shortened by 100 ppm, that is, 1/10000 from the ideal state. When 10,000 discrete signals are sent continuously in the short cycle, one discrete signal data is insufficient after 226 msec as shown in (b) with respect to the ideal state.

不足したデータは、一つ前のデータをそのまま補間して入力するか、或いは一つ後のデータとの平均値を取って線形補間する処理が必要になる。44.1kHzが100ppmの割合で低い周波数にずれた場合は、逆に226msec後に離散信号のデータが一つ伝搬されない(欠落する)ことになる。そのため、(c)に示すように、次のデータを入力する等の処理が必要になる。   Insufficient data requires input by interpolating the previous data as it is, or taking an average value with the next data and performing linear interpolation. When 44.1 kHz shifts to a low frequency at a rate of 100 ppm, one discrete signal data is not propagated (lost) after 226 msec. Therefore, as shown in (c), processing such as inputting next data is required.

226msecとは、周波数では4.41Hzであり、非常に低周波数で可聴域外のスペクトルである。周波数の精度が100ppmというのは、相当良好な値であり、高精度の水晶発振器による制御がなければ実現できない。もし単純なCDプレーヤ等のモータのサーボ制御等でデジタルデータが出力される場合は、0.1%以上の変動が予見される。変動が大きければ、離散信号のデータの不足又は欠落の起こる時間は更に短くなる。同様の計算で、1000ppm(0.1%)では44.1Hz、10000ppm(1%)では441Hzとなるので、高調波を含めると十分に可聴域に入ってくる周期的なノイズとなってしまう。   226 msec is a frequency of 4.41 Hz, which is a very low frequency spectrum outside the audible range. The frequency accuracy of 100 ppm is a fairly good value and cannot be realized without control by a high-accuracy crystal oscillator. If digital data is output by servo control of a motor such as a simple CD player, a fluctuation of 0.1% or more is predicted. If the fluctuation is large, the time when the shortage or missing of the data of the discrete signal occurs is further shortened. In a similar calculation, 1000 ppm (0.1%) is 44.1 Hz, and 10000 ppm (1%) is 441 Hz. Therefore, if harmonics are included, the noise becomes sufficiently periodic that enters the audible range.

特開平5−91287号公報JP-A-5-91287 特開平11−27096号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-27096 特開平8−23262号公報JP-A-8-23262 特開2006−345508号公報JP 2006-345508 A 特表平9−502847Special table flat 9-502847 特開平10−51309JP 10-51309 A

Digital Methods for Conversion Between Arbitrary Sampling Frequencies :IEEE Transactions pm Acoustic ,Speech and Signal Processing Vol.ASSP-32,No.3 JUNE 1984 TOR A.RAMSTADDigital Methods for Conversion Between Arbitrary Sampling Frequencies: IEEE Transactions pm Acoustic, Speech and Signal Processing Vol.ASSP-32, No.3 JUNE 1984 TOR A.RAMSTAD

サンプリング周波数を変換する際に、デジタルオーディオ装置等からのデジタル信号のサンプリング周波数と伝送路で配信するデジタル信号のサンプリング周波数等のように、変換するサンプリング周波数の比が簡単な整数比でない場合、処理が複雑になり回路規模が増大するという問題がある。   When converting the sampling frequency, if the ratio of the sampling frequency to be converted is not a simple integer ratio, such as the sampling frequency of the digital signal from the digital audio device etc. and the sampling frequency of the digital signal distributed on the transmission line Is complicated and the circuit scale increases.

また、変換するサンプリング周波数の比が簡単な整数比(1:1を含む)であっても、サンプリング周波数のクロック精度の差等により、サンプリングデータの抜けや不足が起こるという問題がある。また、オーディオ機器のモータ駆動やそのサーボ回路などの揺らぎによる伝送信号のサンプリング周波数が変動し、サンプリングデータの抜けや不足が起こる場合がある。これらはすべてサンプリング周波数の変動・揺らぎによるものであるが、その状態は一律でない。本発明はこれらの問題を解決する手段を提供する。   Further, even if the ratio of sampling frequencies to be converted is a simple integer ratio (including 1: 1), there is a problem that sampling data may be lost or missing due to a difference in sampling frequency clock accuracy or the like. Also, the sampling frequency of the transmission signal may fluctuate due to fluctuations in the motor drive of the audio device and its servo circuit, resulting in missing or insufficient sampling data. These are all due to fluctuations or fluctuations in the sampling frequency, but the state is not uniform. The present invention provides a means to solve these problems.

本発明のサンプリング周波数変換装置は、第1のサンプリング周波数の離散信号を、第2のサンプリング周波数の離散信号に変換するサンプリング周波数変換装置において、前記第1のサンプリング周波数の離散信号データを、該第1のサンプリング周波数のクロックで取り込んでラッチする第1のラッチ部と、前記第1のラッチ回路から出力される離散信号データを、前記第2のサンプリング周波数の整数倍の周波数のクロックで取り込んで出力するオーバサンプリング同期部と、前記オーバサンプリング同期部の出力信号の低域成分を通過させるデジタルフィルタと、前記デジタルフィルタから出力される信号を、前記第2のサンプリング周波数のクロック毎に間引いて出力するデシメーション部と、
を備えたことを特徴とする。
The sampling frequency converter of the present invention is a sampling frequency converter for converting a discrete signal having a first sampling frequency into a discrete signal having a second sampling frequency, wherein the discrete signal data having the first sampling frequency is converted to the first sampling frequency. A first latch unit that captures and latches with a clock having a sampling frequency of 1 and discrete signal data output from the first latch circuit are captured and output with a clock having an integer multiple of the second sampling frequency. An oversampling synchronization unit, a digital filter that passes a low-frequency component of the output signal of the oversampling synchronization unit, and a signal output from the digital filter are output by thinning out each clock of the second sampling frequency Decimation department,
It is provided with.

本発明は離散信号を、入力信号のサンプリング周波数に関係なく、出力信号のサンプリング周波数の整数倍でオーバサンプリングしてサンプリング周波数を変換することにより、サンプリング周波数の変換が単純な整数倍(M/N)の比ではなく、更にサンプリング周波数が時々刻々微妙に変化する場合でも、出力側のサンプリング周波数のみに同期したタイミングで、周波数変換後の離散信号を出力することが可能となる。   The present invention converts a sampling frequency by oversampling a discrete signal at an integer multiple of the sampling frequency of the output signal regardless of the sampling frequency of the input signal, thereby converting the sampling frequency to a simple integer multiple (M / N). In addition, even when the sampling frequency slightly changes from time to time, it is possible to output a discrete signal after frequency conversion at a timing synchronized only with the sampling frequency on the output side.

発明の実施形態を示す図である。It is a figure which shows embodiment of invention. 本発明の具体回路例を示す図である。It is a figure which shows the example of a specific circuit of this invention. 本発明の動作をスペクトルの形で表した図である。It is the figure which represented operation | movement of this invention in the form of the spectrum. S/P変換ラッチ回路の後段にラッチ回路を設けた構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which provided the latch circuit in the back | latter stage of the S / P conversion latch circuit. LRCKと同期してデータを取り込む構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example which takes in data synchronizing with LRCK. 本発明による微小なサンプリング周波数のずれによる影響の説明図である。It is explanatory drawing of the influence by the shift | offset | difference of the minute sampling frequency by this invention. サンプリング周波数変換装置(SRC)一般的な説明図である。It is a sampling frequency converter (SRC) general explanatory drawing. 従来のデジタル処理の手法によるサンプリング周波数の変換の例を示す図である。It is a figure which shows the example of conversion of the sampling frequency by the method of the conventional digital processing. 従来の微小なサンプリング周波数のずれによる影響の説明図である。It is explanatory drawing of the influence by the shift | offset | difference of the conventional fine sampling frequency.

図1は本発明の実施形態を示す。同図(a)に示すサンプリング周波数Fsoが44.1kHzの離散的なデジタル信号は、初段のS/P変換ラッチ回路1−1により、まず、サンプリング周波数Fsoのクロックでラッチ(一時的に記憶)される。その記憶されたデジタル信号は、オーバサンプリング同期回路1−2により、サンプリング周波数Fsoよりも十分に高いFst×Nの周波数でサンプリングされる。ここで、Fstは、変換後のサンプリング周波数であり、Nは整数である。   FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. A discrete digital signal having a sampling frequency Fso of 44.1 kHz shown in FIG. 6A is first latched (temporarily stored) by a clock of the sampling frequency Fso by the first stage S / P conversion latch circuit 1-1. Is done. The stored digital signal is sampled at a frequency of Fst × N sufficiently higher than the sampling frequency Fso by the oversampling synchronization circuit 1-2. Here, Fst is the sampling frequency after conversion, and N is an integer.

その結果、離散的な波形は、図1の(b)に示す波形のように、Fst×Nの周波数のサンプリング点で同一レベルの信号が連続して現れる波形になる。これは、初段のS/P変換ラッチ回路1−1でラッチされた信号は、入力信号のサンプリング周波数Fsoでしか変化しないので、図1(b)に示すように、入力信号のサンプリング周波数Fsoで階段状に変化する波形になる。   As a result, the discrete waveform is a waveform in which signals of the same level appear continuously at sampling points having a frequency of Fst × N, as in the waveform shown in FIG. This is because the signal latched by the S / P conversion latch circuit 1-1 at the first stage changes only at the sampling frequency Fso of the input signal, and as shown in FIG. 1B, at the sampling frequency Fso of the input signal. The waveform changes stepwise.

図8に示した従来例と比較すると、従来例では、入力信号のサンプリング点の離散信号以外は、ゼロレベルの信号を補間(インタ−ポレーション)したが、本発明では、入力された離散信号と同一レベルの離散信号を連続的に挿入して補間したことに等しい。   Compared to the conventional example shown in FIG. 8, in the conventional example, signals other than the discrete signal at the sampling point of the input signal are interpolated with the zero level signal. It is equivalent to interpolating by continuously inserting discrete signals of the same level.

この階段状の高周波離散信号を、次段のローパスフィルタ(LPF)1−3に通すことで、同図(c)に示すように、包絡線の波形が滑らかな離散信号になる。この手法の特徴は、ゼロレベルの信号を補間しないため、信号レベルの低下が殆ど無いことである。ローパスフィルタ(LPF)1−3の出力の離散信号を、デシメーション部1−4で、変換後のサンプリング周波数Fstで間引くこと(デシメーション)により、同図(d)に示す信号が出力され、サンプリングの速度変換が完了する。   By passing the step-like high-frequency discrete signal through a low-pass filter (LPF) 1-3 in the next stage, as shown in FIG. The feature of this method is that there is almost no decrease in the signal level because no zero level signal is interpolated. By decimation of the discrete signal output from the low-pass filter (LPF) 1-3 at the converted sampling frequency Fst by the decimation unit 1-4 (decimation), the signal shown in FIG. Speed conversion is complete.

まとめると、本発明は離散信号を、入力信号のサンプリング周波数Fsoに関係なく、出力信号のサンプリング周波数Fstの整数倍でオーバサンプリングすることにより、サンプリング周波数を変換することである。こうすることにより、サンプリング周波数の変換が単純な整数倍(M/N)の比ではなく、更にサンプリング周波数が時々刻々微妙に変化する場合でも、出力側のサンプリング周波数Fstのみに同期したタイミングで、周波数変換後の離散信号が出力されることとなる。   In summary, the present invention converts the sampling frequency by oversampling the discrete signal at an integer multiple of the sampling frequency Fst of the output signal, regardless of the sampling frequency Fso of the input signal. By doing this, the sampling frequency conversion is not a simple integer multiple (M / N) ratio, and even when the sampling frequency slightly changes from moment to moment, at a timing synchronized only with the sampling frequency Fst on the output side, A discrete signal after frequency conversion is output.

なお、非同期状態でデータを取り込むことによるエイリアス(不要折返し)の発生が懸念されるが、元々、デジタルオーディオ信号のサンプリング周波数は、短期的・長期的に刻々と変動しているものであり、時間軸上での特性劣化は、振幅成分での特性向上により相殺される。   Although there is concern about the occurrence of aliases (unnecessary aliasing) due to data being fetched in an asynchronous state, the sampling frequency of digital audio signals originally fluctuated in the short and long terms. The characteristic deterioration on the axis is offset by the characteristic improvement in the amplitude component.

図2は本発明の具体回路例を示す。デジタルオーディオ装置の出力信号は、一般に、オーディオのシリアルデータであるDATAと、そのDATAを読み込むためのクロック信号であるBCK(Bit Clock)と、ステレオの左チャネル(L−ch)と右チャネル(R−ch)とを区切るクロック信号でもあるLRCKとから構成される。   FIG. 2 shows a specific circuit example of the present invention. In general, an output signal of a digital audio device includes DATA, which is audio serial data, BCK (Bit Clock), which is a clock signal for reading the DATA, a stereo left channel (L-ch), and a right channel (R). -Ch) is also composed of LRCK which is also a clock signal.

LRCKを基にどのタイミングでどのシリアルデータが出現するかは、標準化された各種仕様により規定されている。図2の下部に、DATA、BCK及びLRCKのタイミングチャートを示している。なお、DATAは、1サンプル値を24bitで表しているものとする。   Which serial data appears at which timing based on LRCK is defined by various standardized specifications. The timing chart of DATA, BCK, and LRCK is shown at the bottom of FIG. Note that DATA represents one sample value as 24 bits.

シリアルデータDATAは、S/P変換ラッチ回路2−1に入力され、並列データとして例えば24bitの並列データに変換され、一時的に保持(ラッチ)される。次ぎにオーバサンプリング同期回路2−2で、並列データは、出力サンプリング周波数FstのN倍の周波数で高速サンプリングされる。   The serial data DATA is input to the S / P conversion latch circuit 2-1, converted to parallel data of, for example, 24 bits as parallel data, and temporarily held (latched). Next, in the oversampling synchronization circuit 2-2, the parallel data is sampled at a high speed at a frequency N times the output sampling frequency Fst.

このデータが次段のローパスフィルタ(LPF)2−3に入力される。ローパスフィルタ(LPF)2−3はデジタルフィルタであり、その構成はFIR(Finite Impulse Response)フィルタでもIIR(Infinite Impulse Response)フィルタでもよく、出力サンプリング周波数Fstの1/2以下に厳密に帯域制限する。このフィルタの条件としては、出力サンプリング周波数FstのM倍の周波数で動作するものとすると、MとNは一般にN≧Mである。   This data is input to the low-pass filter (LPF) 2-3 at the next stage. The low-pass filter (LPF) 2-3 is a digital filter, and its configuration may be a FIR (Finite Impulse Response) filter or an IIR (Infinite Impulse Response) filter, and strictly restricts the band to 1/2 or less of the output sampling frequency Fst. . As a condition for this filter, assuming that the filter operates at a frequency M times the output sampling frequency Fst, M and N generally satisfy N ≧ M.

ローパスフィルタ(LPF)2−3の出力は、デシメーション部2−4において、出力サンプリング周波数Fstでデシメーション(間引き)される。デシメーション(間引き)されたデータは、シリアルデータとして出力する場合は、パラレルデータをシリアルデータに変換するP/S変換部2−5により処理される。   The output of the low-pass filter (LPF) 2-3 is decimated (decimated) at the output sampling frequency Fst in the decimation unit 2-4. When the decimated data is output as serial data, it is processed by the P / S conversion unit 2-5 that converts parallel data into serial data.

LSIの進歩により、従来は不可能であった高次のデジタルフィルタも比較的簡単に実現することができる。また、ローパスフィルタ(LPF)として、FIRフィルタでなく、IIRフィルタを使用することにより、ハードウェア量を削減することができる。   Due to advances in LSI, higher-order digital filters that have been impossible in the past can be realized relatively easily. Further, by using an IIR filter instead of an FIR filter as a low-pass filter (LPF), the amount of hardware can be reduced.

図3は本発明の動作をスペクトルの形で表したものである。デジタルオーディオ信号は、44.1kHz毎の離散信号であり、オーディオ成分は、通常20kHz以下であるので、同図の(a)のように、0〜20kHzのスペクトルと、そのスペクトルが44.1kHzの両側で折り返す形となる。   FIG. 3 shows the operation of the present invention in the form of a spectrum. Since the digital audio signal is a discrete signal every 44.1 kHz, and the audio component is usually 20 kHz or less, the spectrum of 0 to 20 kHz and the spectrum is 44.1 kHz as shown in FIG. It will be folded on both sides.

更に、44.1kHzの整数倍の88.2kHzや132.3kHz等に同様のスペクトルが現れる。この信号をオーバサンプリングするために、例えば、出力サンプリング周波数32kHzの32倍の1024kHzでサンプリングする。すると、そのスペクトルは、同図(b)のように、1024kHz毎に、同図(a)のスペクトルが全域に繰り返して現れるスペクトルとなる。   Furthermore, similar spectra appear at 88.2 kHz, 132.3 kHz, etc., which are integral multiples of 44.1 kHz. In order to oversample this signal, for example, it is sampled at 1024 kHz, which is 32 times the output sampling frequency of 32 kHz. Then, the spectrum becomes a spectrum in which the spectrum of FIG. 10A repeatedly appears in every region as shown in FIG.

この場合、22.6757μsec(=1/44.1kHz)毎のデータが、0.9765μsec(=1/1024kHz)毎に細かくサンプリングされたことに等しい。前述のように100ppmの揺らぎでも226msec毎に1サンプル分22.6757μsecずれるのに比べ、この例では僅か0.9765μsecしかずれない。約1μsecの時間幅でのオーディオ信号の振幅差は僅かであるので、時間的な変動による歪よりも振幅の歪が大幅に改善されることになる。   In this case, the data every 22.6757 μsec (= 1 / 44.1 kHz) is equivalent to being sampled finely every 0.9765 μsec (= 1/1024 kHz). As described above, even if the fluctuation is 100 ppm, the deviation is only 0.9765 μsec in this example as compared to 22.6757 μsec for one sample every 226 msec. Since the difference in amplitude of the audio signal in the time width of about 1 μsec is small, the distortion of the amplitude is greatly improved over the distortion due to the temporal variation.

オーバサンプリングの速度は高い程望ましいが、ローパスフィルタ(LPF)の実現手段との兼ね合いで最適値が定まる。ローパスフィルタ(LPF)により、図3(c)に示すように帯域制限され、この例では0〜15kHzのスペクトル(32kHzの1/2以下)に帯域制限される。このスペクトルの信号を32kHzでデジメーションして出力することにより、図3の(d)に示すスペクトルの信号が出力される。   The higher the oversampling speed, the better, but the optimum value is determined in consideration of the means for realizing the low-pass filter (LPF). As shown in FIG. 3C, the band is limited by a low-pass filter (LPF). In this example, the band is limited to a spectrum of 0 to 15 kHz (1/2 or less of 32 kHz). By decimating and outputting this spectrum signal at 32 kHz, the spectrum signal shown in FIG. 3D is output.

図4はS/P変換ラッチ回路2−1の後段にラッチ回路4−1を設けた構成例を示す。一般に、同期していない信号を取り込む同期/非同期回路の場合、ラッチしたデータがまさに変化しようとするタイミングでデータの取り込みが行われると、正常にデータを取り込めない場合がある(レーシング)。   FIG. 4 shows a configuration example in which a latch circuit 4-1 is provided at the subsequent stage of the S / P conversion latch circuit 2-1. In general, in the case of a synchronous / asynchronous circuit that captures a signal that is not synchronized, if data is captured at a timing when the latched data is about to change, data may not be captured normally (racing).

これを防ぐために図4に示すように、S/P変換ラッチ回路2−1の後段に、LRCKを僅かに遅らせたクロックLRCKでS/P変換ラッチ回路2−1の出力データを打ち抜くラッチ回路4−1を設ける。LRCKは、例えば出力サンプリング周波数FstのN倍のクロックの数クロック分、LRCKを遅らせたクロックとすることができる。 In order to prevent this, as shown in FIG. 4, a latch circuit for punching out output data of the S / P conversion latch circuit 2-1 at the subsequent stage of the S / P conversion latch circuit 2-1 with a clock LRCK * slightly delayed from LRCK . 4-1. LRCK * can be a clock obtained by delaying LRCK by, for example, several clocks of N times the output sampling frequency Fst.

図4の右側に上述の回路動作のタイムチャート示す。(a)はS/P変換ラッチ回路2−1から出力されるオーディオ信号のパラレルデータData、(b)はLRCK、(c)は出力サンプリング周波数FstのN倍のクロック、(d)はLRCK、(e)はラッチ回路4−1から出力されるデータを示している。 A time chart of the above-described circuit operation is shown on the right side of FIG. (A) is parallel data Data of the audio signal output from the S / P conversion latch circuit 2-1, (b) is LRCK, (c) is a clock N times the output sampling frequency Fst, (d) is LRCK *. , (E) shows data output from the latch circuit 4-1.

図4のタイムチャートから分かるように、S/P変換ラッチ回路2−1から出力されるオーディオ信号のパラレルデータDataが変化するタイミング(LRCKに同期したタイミング)から僅かにずらした、パラレルデータDataが変化しないタイミング(LRCKに同期したタイミング)で、S/P変換ラッチ回路2−1の出力データを取り込むことにより、正常にデータを取り込むことができる。このデータを、出力サンプリング周波数FstのN倍のクロックで、オーバサンプリング同期回路2−2に連続的に出力する。 As can be seen from the time chart of FIG. 4, the parallel data Data slightly shifted from the timing at which the parallel data Data of the audio signal output from the S / P conversion latch circuit 2-1 changes (timing synchronized with LRCK). By capturing the output data of the S / P conversion latch circuit 2-1 at a timing that does not change (timing synchronized with LRCK * ), the data can be captured normally. This data is continuously output to the oversampling synchronization circuit 2-2 with a clock N times the output sampling frequency Fst.

図4の(f)は、LRCKを、出力サンプリング周波数FstのN倍のクロックの数クロック分遅らせたクロックLRCKを生成する回路例を示している。この回路例は、出力サンプリング周波数FstのN倍のクロックを2クロック分遅らせた回路例を示している。 FIG. 4F illustrates an example of a circuit that generates a clock LRCK * obtained by delaying LRCK by several clocks of N times the output sampling frequency Fst. This circuit example shows a circuit example in which a clock N times the output sampling frequency Fst is delayed by two clocks.

図5はラッチ回路に工夫を施し、LRCKと同期してパラレルデータDataを取り込むことで、従来の手法と同様にゼロを入力する手段を実現したものである。ゼロの挿入により信号振幅が減少するが、従来の手法との同一化が求められる場合には、この手法で達成することができる。 FIG. 5 shows a means for inputting zero in the same manner as the conventional method by devising a latch circuit and taking in parallel data Data in synchronization with LRCK * . Although the signal amplitude is reduced by inserting zero, this method can be used when the same as the conventional method is required.

LRCKと同期してパラレルデータDataを取り込むための手段としては、S/P変換ラッチ回路2−1とオーバサンプリング同期回路2−2との間にラッチ回路5−1を設ける。ラッチ回路5−1は、LRCKを僅かに遅らせたクロックLRCKを微分したクロックLRCKBでパラレルデータDataを取り込む。 As means for capturing parallel data Data in synchronization with LRCK * , a latch circuit 5-1 is provided between the S / P conversion latch circuit 2-1 and the oversampling synchronization circuit 2-2. The latch circuit 5-1 takes in the parallel data Data with the clock LRCKB obtained by differentiating the clock LRCK * obtained by slightly delaying the LRCK.

図5の右側に上述の回路動作のタイムチャート示す。(a)はS/P変換ラッチ回路2−1から出力されるオーディオ信号のパラレルデータData、(b)はLRCK、(c)は出力サンプリング周波数FstのN倍のクロック、(d)はLRCK、(e)はLRCKを微分したクロックLRCKB、(f)はラッチ回路5−1から出力されるデータを示している。 A time chart of the above-described circuit operation is shown on the right side of FIG. (A) is parallel data Data of the audio signal output from the S / P conversion latch circuit 2-1, (b) is LRCK, (c) is a clock N times the output sampling frequency Fst, (d) is LRCK *. , (E) shows a clock LRCKB obtained by differentiating LRCK * , and (f) shows data output from the latch circuit 5-1.

図5のタイムチャートから分かるように、LRCKが変化するタイミングでパラレルデータDataを取り込むことができる。図5の(g)は、LRCKを僅かに遅らせたクロックLRCKを微分したクロックLRCKBを生成する回路例を示している。 As can be seen from the time chart of FIG. 5, the parallel data Data can be captured at the timing when LRCK * changes. FIG. 5G shows an example of a circuit that generates a clock LRCKB obtained by differentiating a clock LRCK * obtained by slightly delaying LRCK.

図6は本発明による微小なサンプリング周波数のずれによる影響の説明図である。(a)は44.1kHzのサンプリング周波数にずれがなく理想的な場合を示し、(b)は44.1kHzのサンプリング周波数が100ppm増加した場合を示し、(c)は44.1kHzのサンプリング周波数が100ppm減少した場合を示している。   FIG. 6 is an explanatory diagram of the influence of a slight sampling frequency shift according to the present invention. (A) shows an ideal case where there is no deviation in the sampling frequency of 44.1 kHz, (b) shows a case where the sampling frequency of 44.1 kHz is increased by 100 ppm, and (c) shows that the sampling frequency of 44.1 kHz is The case where it reduces by 100 ppm is shown.

図6の(a)に示すように、44.1kHzのサンプリング周波数にずれがない(0ppm)信号は、22.6757μsecの周期の離散的な信号として出力される。なお、該離散的な信号の10,000個の周期は、約226msecとなる。   As shown in FIG. 6A, a signal with no deviation in the sampling frequency of 44.1 kHz (0 ppm) is output as a discrete signal having a period of 22.6757 μsec. The 10,000 cycles of the discrete signal are about 226 msec.

44.1kHzのサンプリング周波数が100ppm(10,000個に1個)の割合で高い周波数にずれた場合、図6(b)に示すようにデータの不足が発生するが、そのときは、出力サンプリング周波数Fst×Nが1024kHzであれば、約1use後のデータが入力される。   When the sampling frequency of 44.1 kHz shifts to a high frequency at a rate of 100 ppm (1 in 10,000), data shortage occurs as shown in FIG. 6 (b). If the frequency Fst × N is 1024 kHz, data after about 1 use is input.

即ち、226msecに1回発生する22.6μsecのデータの欠落と代替データの挿入は、僅か1μsecの時間ずれた代替データとして挿入される。挿入の頻度は増えるものの、22.6μsec離れた信号の代替に比べ、1μsec離れた信号を代替するのであるから、信号レベルの差はより細かくなる。時間的な変動は、振幅の変動の減少(1/N)により向上し、無視できるようになる。   That is, the data loss of 22.6 μsec that occurs once every 226 msec and the insertion of substitute data are inserted as substitute data shifted by only 1 μsec. Although the frequency of insertion is increased, the signal level difference is smaller because the signal is 1 μsec apart than the signal 22.6 μsec apart. Temporal variations are improved by a decrease in amplitude variation (1 / N) and can be ignored.

44.1kHzが100ppmの割合で低い周波数にずれた場合も、(c)に示すように226msec後に離散信号のデータが一つ伝搬されない(欠落する)ことになるが、同様に、1μsec前の代替データが挿入され、時間的な変動は、振幅の変動の減少(1/N)により向上し、無視できるようになる。   Even when 44.1 kHz shifts to a low frequency at a rate of 100 ppm, as shown in (c), one piece of discrete signal data is not propagated (lost) after 226 msec. As data is inserted, the temporal variation is improved by a decrease in amplitude variation (1 / N) and can be ignored.

1−1 S/P変換ラッチ回路
1−2 オーバサンプリング同期回路
1−3 ローパスフィルタ(LPF)
1−4 デシメーション部
1-1 S / P conversion latch circuit 1-2 Oversampling synchronization circuit 1-3 Low pass filter (LPF)
1-4 Decimation part

Claims (3)

第1のサンプリング周波数の離散信号を、第2のサンプリング周波数の離散信号に変換するサンプリング周波数変換装置において、
前記第1のサンプリング周波数の離散信号データを、該第1のサンプリング周波数のクロックで取り込んでラッチする第1のラッチ部と、
前記第1のラッチ回路から出力される離散信号データを、前記第2のサンプリング周波数の整数倍の周波数のクロックで取り込んで出力するオーバサンプリング同期部と、
前記オーバサンプリング同期部の出力信号の低域成分を通過させるデジタルフィルタと、
前記デジタルフィルタから出力される信号を、前記第2のサンプリング周波数のクロック毎に間引いて出力するデシメーション部と、
を備えたことを特徴とするサンプリング周波数変換装置。
In a sampling frequency converter for converting a discrete signal having a first sampling frequency into a discrete signal having a second sampling frequency,
A first latch unit that captures and latches the discrete signal data of the first sampling frequency with a clock of the first sampling frequency;
An oversampling synchronization unit that captures and outputs discrete signal data output from the first latch circuit with a clock having an integer multiple of the second sampling frequency; and
A digital filter that passes the low frequency component of the output signal of the oversampling synchronization unit;
A decimation unit that outputs a signal output from the digital filter by decimating the signal every clock of the second sampling frequency;
A sampling frequency conversion device comprising:
前記第1のラッチ部と前記オーバサンプリング同期部との間に、該第1のラッチ部から出力される離散信号データが変化するタイミングからずらしたタイミング位置で、該第1のラッチ部から出力される離散信号データを取り込んでラッチする第2のラッチ部を備えたことを特徴とする請求項1に記載のサンプリング周波数変換装置。   Between the first latch unit and the oversampling synchronization unit, the discrete signal data output from the first latch unit is output from the first latch unit at a timing position shifted from the change timing. The sampling frequency converter according to claim 1, further comprising a second latch unit that takes in and latches discrete signal data. 前記第2のラッチ部に対して、前記第1のサンプリング周波数のクロックに同期した同期信号の立ち上がり及びたち下がりのタイミングを抽出し、該立ち上がり及び立ち下がりのタイミングの、前記第1のラッチ回路から出力される1つの離散信号データを取り込むことを特徴とする請求項2に記載のサンプリング周波数変換装置。   For the second latch unit, the rising and falling timings of the synchronization signal synchronized with the clock of the first sampling frequency are extracted, and the rising and falling timings are extracted from the first latch circuit. 3. The sampling frequency converter according to claim 2, wherein one discrete signal data to be output is captured.
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